Et skovglød afslører opvågning fra dvale

Vintrene på den nordlige halvkugle er brutale. De barske forhold driver nogle arter til at gå i dvale; bjørne reducerer deres metaboliske tilstand for at spare energi indtil foråret. Skove udholder også vinteren ved at spare på energien; de lukker fotosyntesen ned, den proces, hvorved et grønt pigment kaldet klorofyl fanger sollys og kuldioxid (CO2) for at producere den kemiske energi, der driver planterne. Den samlede produktion af kemisk energi som følge af fotosyntese kaldes Gross Primary Production (GPP). GPP i stedsegrønne skove fortæller forskerne, hvor meget CO2 disse enorme og fjerntliggende systemer indånder.

Fordi fotosyntese trækker CO2 ud af atmosfæren, forståelse af skovaktivitet er afgørende for at spore globale kulstofniveauer. I årtier, videnskabsmænd har brugt satellitter til at overvåge ændringerne i løvskovenes grønhed for at spore GPP. I efteråret og vinteren, løvfældende blade bliver brune og falder, når de er i dvale. I foråret og sommeren, klorofylet vender tilbage, når grønne blade og fotosyntesen øges. Imidlertid, stedsegrønne træer bevarer deres klorofylfyldte grønne nåle året rundt, forhindrer videnskabsmænd i at opdage begyndelse og fald i fotosyntese i stor skala.

For første gang, en ny undersøgelse har knyttet sæsonbestemte GPP-cyklusser til en proces, der forekommer med fotosyntese, men som for nylig er blevet sporbar af visse satellitter - solinduceret fluorescens (SIF). Fotosyntese opstår, når solens energi exciterer klorofyl til en højere energitilstand. Når klorofylet vender tilbage til sin normale tilstand, udsender det en foton, producerer lys for lavt til det blotte øje. Den resulterende "glød" er SIF.

Et samarbejdende team af forskere brugte et scanningsspektrometer på et tårn til at måle fluorescerende "glød" gennem hele sæsonen i en stedsegrøn skov i Colorado. Holdet er det første til at forbinde SIF med nålefysiologi, canopy-fotosyntese og satellit-afledt fluorescens. De fandt ud af, at daglige og sæsonbestemte SIF-mønstre nøje matchede timingen og størrelsen af ​​GPP. I foråret, stedsegrønne planter aktiverer klorofyl i deres nåle, som driver både fluorescens og fotosyntese, matcher tæt med SIF, som satellitter for nylig har kunnet måle.

En af måderne, hvorpå planter beskytter sig selv under de hårde vintre, er ved at anvende fotobeskyttende pigmenter, der fungerer som "solcreme". Undersøgelsen viste, at når planter anvender denne solcreme, både fotosyntese og fluorescens falder, gør det muligt for forskere at føle sig sikre på SIF-signalet som en proxy til at overvåge vejrtrækningen (CO2-optagelsen) af stedsegrønne skove.

Nu, forskere kan bruge de satellitbaserede fluorescensmålinger som en indikator for fotosyntetisk aktivitet i stedsegrønne skove i et hidtil uset omfang. Ved at se skæret af stedsegrønne skove fra rummet, vi kan bedre forstå, hvordan disse skove reagerer på klimaændringer.

"Vi forsøger at udvikle teknikker til at kunne 'se' fotosyntese i stor skala, så vi ved, hvor meget CO2 biosfæren forbruger...holde en finger på pulsen i biosfæren, " sagde Troy Magney, forsker fra NASA Jet Propulsion Laboratory og California Institute of Technology.

Magney og holdet indsamlede data fra et spektrometersystem monteret på toppen af ​​et tårn mellem juni 2017 og juni 2018 i en subalpin nåleskov ved Niwot Ridge, Colorado. De var i stand til at udrede de fysiologiske ændringer inde i nåletræsnålene for bedre at forstå, hvorfor vi ser SIF sæsonbestemte cyklusser. Viser sig, det handler om pigmenterne.

"Du og jeg kan blive solskoldet. For meget ultraviolet stråling vil skade vores celler. Nogle mennesker kan beskytte sig selv - deres hud producerer mere af pigmentet melanin for at tilpasse sig miljøer med meget lys, " sagde David Bowling, biologiprofessor ved University of Utah og medforfatter til undersøgelsen. "Planter har en anden men lignende proces."

Uden fotosyntese for at udnytte solens energi, planter skal beskytte sig selv. Forskerne fandt ud af, at nåletræerne producerede høje niveauer af pigmenter, der er en del af xanthophyll-cyklussen, der beskytter dets væv mod overskydende lys. Gennem hele sæsonen, brøkdelen af ​​"solcreme" ændres - mere om vinteren, mindre om sommeren - faldende både fluorescens og fotosyntese.

"Ultimativt, måling af den lille fluorescerende glød fra planter vil give os mulighed for at se præcis timing og størrelsen af ​​kulstofoptagelsen fra den terrestriske biosfære. Dette vil hjælpe os med at forstå, hvordan skove reagerer på klimaændringer og foreslå, hvordan de kan reagere på fremtidige klimaændringer, sagde Magney.